专利名称：超声波流量计和超声波收发器的制作方法
技术领域：
本发明涉及将2个1对的超声波收发器分别设置在被测流体的上流侧和下流侧、通过从1个超声波收发器发送超声波由另一个超声波收发器接收而测量被测流体的流量的超声波流量计及其使用的超声波收发器。
背景技术：
很早以前，人们就进行了使用超声波测量在管道中流动的流体的流量的技术开发。作为超声波流量计，已知的有计量研究报告Vol．26，No．1，p1-6以「气体用超声波流量计的试制」为题所登载的结构。
下面，说明先有的超声波流量计和超声波收发器。
图20表示先有的超声波流量计的结构，图21表示先有的气体用超声波收发器的结构。在图20中，51是圆筒管，52是超声波收发器A，53是将超声波收发器A52安装到圆筒管51上的安装口A，54是超声波收发器B，55是将超声波收发器B54安装到圆筒管51上的安装口B，56是在圆筒管51中流动的被测流体。在图21中，57是圆筒压电板，58是耦合层，59是引线。
下面，说明按上述方式构成的超声波流量计的结构。
将超声波收发器A52和超声波收发器B54通过安装口A53和安装口B55相对于圆筒管51倾斜地相对地配置。设超声波收发器A52与超声波收发器B54的距离为L、圆筒管51的长度方向与超声波的传播方向的夹角为θ、在无风状态下超声波在被测流体56中传播的声速为C、被测流体56的流速为V，则从超声波收发器A52发射的超声波在被测流体56中传播并由超声波收发器B54所接收的传播时间t1可以表为下式。c-Vcosθ=Lt1]]>(式1)
同样，从超声波收发B52发射的超声波在被测流体56中传播并由超声波收发器A52所接收的传播时间t2可以表为下式。c-Vcosθ=Lt2]]>(式2)从上述2式消去被测流体56中的声速C，则可得到下式。1t1-1t2=2VcosθL]]>(式3)由上式可以求出被测流体56的流速V为V=12cosθ(1t1-1t2)]]>(式4)由于在上式中不包含被测流体56中的声速C，所以，可以与被测流体56的物质无关地求出流速V，从而可以根据得到的流速V和圆筒管51的截面积导出流量。另外，被测流体56为气体时使用的超声波收发器是图21所示的圆筒形状，由圆筒压电板57和1层的耦合层58构成。
但是，在上述先有的结构中，存在如下问题。
(1)第1个问题，就是在超声波收发器中使用的压电板为圆筒形、利用圆板的厚度振动及延展振动而选择低频时，由于直径大，从而超声波收发器增大，所以，难于使超声波流量计实现小型化。另外，如果使用小型的超声波收发器，就必须提高频率，从而，不仅超声波的传播所引起的衰减的影响增大，而且超声波流量计的回路的成本也增加。因此，如果选择适合于超声波流量计的尺寸的超声波收发器，则频率的选择将受到限制。此外，由于圆板的厚度振动的电机耦合系数Kt和延展振动的电机耦合系数Kp小于圆棒及角柱的厚度纵向振动的电机耦合系数K33，所以，灵敏度低。进而由于在圆筒压电板57上没有设置用于降低机械Q值的背面负荷材料等结构材料，所以，只能发送拖尾长的超声波脉冲，难于缩短流量测量时间。
(2)第2个问题，就是由于圆筒管51的截面为圆形，所以，尽管具有中心附近的流速V快而外侧的流速慢的2维的流速分布，但是，在使2个超声波收发器相对而得到的流速V中却难于反映圆筒管51的整个截面上的流速分布，仅仅是圆筒管51的截面中的测量区域的平均流速。并且，由于根据所测量的流速V利用近似式求圆筒管51中的流量，所以，难于进行流速分布的高精度的推算，从而难于获得高的流量测量精度。
本发明就是为了解决上述先有技术的问题而提案的，目的旨在提供提高超声波收发器的尺寸和频率的选择的自由度并且灵敏度高、响应性快、精度高的小型的超声波流量计和超声波收发器。
发明的公开本发明具有流体流动的夹在相隔指定的宽度配置的2块平行平板之间的流道和配置在可以测量流体流量的位置的超声波收发器，上述超声波收发器具有将电极设置在相对的面上同时将相对的一方的面作为收发波面而使该收发波面面向上述流道的压电体，上述压电体具有用沟分割收发面或与上述收发面相对的面中的至少一方的面同时用导体将设置在该分割的面上的电极的所有的面连接的结构。
本发明的第1种形式的超声波流量计具有流道和用于测量该流道中的流体流量而配置的超声波收发器，上述超声波收发器具有将电极设置在相对的面上同时将上述相对的一方的面作为收发波面而使该收发波面面向上述流道的压电体，上述压电体采用以电极方向的振动为主模式设定该收发波面的纵、宽长度的结构，从而将压电体的厚度纵向振动作为主模式利用，所以，可以获得灵敏度高、响应性快的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
本发明的第2种形式的超声波流量计具有流道和用于测量该流道中的流体流量而配置的超声波收发器，上述超声波收发器具有将电极设置在相对的面上同时将相对的一方的面作为收发波面而使该收发波面面向上述流道的压电体，上述压电体采用用沟分割收发面或与上述收发面相对的面中的至少一方的面同时用导体将设置在该分割的面上的电极的所有的面连接的结构，由于可以利用沟将厚度纵向振动与不需要的振动模式分离，所以，可以获得灵敏度高、响应性快、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
在上述第2种形式的超声波流量计中，采用通过以电极方向的振动为主模式的深度的沟分割压电体的结构，沟的深度大于与收发波面垂直方向的厚度的90％小于100％，由于并未将压电体完全分离，所以，不仅压电体的处理容易，而且可以把厚度纵向振动和不需要的振动模式分离为在实用上没有问题的程度，所以，可以获得灵敏度高、响应性快、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
此外，在第2种形式的超声波流量计中，设定由沟分割的各面的纵、宽的长度以使电极方向的振动为主模式，以及使由沟分割的各面的纵、宽的长度与厚度之比全部小于0．8，不仅可以把厚度纵向振动和不需要的振动模式分离为在实用上没有问题的程度，而且可以将厚度纵向振动作为主模式利用，所以，可以获得灵敏度高、响应性快、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
另外，在第2种形式的超声波流量计中，采用使设置在压电体上的沟为多个的结构，所以，可以进一步获得频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
本发明的第3种形式的超声波流量计具有流道和用于测量该流道中的流体流量而配置的超声波收发器，上述超声波收发器具有将电极设置在相对的面上同时将相对的一方的面作为收发波面而使该收发波面面向上述流道的多个压电体，采用分别用导体将设置在各压电体的收发面和与上述收发面相对的面上的各电极连接的结构，由于具有多个分离的压电体，减少了不需要的振动模式的影响，所以，可以获得灵敏度高、响应性快、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
在上述第3种形式的超声波流量计中，将各压电体的各个面的纵和横的全部长度设定为使电极方向的振动成为主模式，以及使各压电体的收发波面的纵和横的长度与厚度之比全部小于0．8从而可以将厚度纵向振动作为主模式来利用，所以，可以获得灵敏度高、响应性快、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
本发明的第4种形式的超声波流量计，采用在第1～第3种形式的超声波流量计中将沿与电极垂直的方向极化的多个压电体层叠为极化方向相互相反从而将这样层叠的压电体的上述电极方向的振动作为主模式的结构，可以减小超声波收发器的电阻抗，所以，可以获得抗噪音强的特性，从而可以获得更高精度的超声波流量计。
本发明的第5种形式的超声波流量计，采用在第1～第4种形式的超声波流量计中其流道在指定的位置具有指定的宽度的间隙并夹在按指定的宽度配置的2块平行平板之间的结构，通过使流道的截面形状成为长方形，可以使在流道截面内的流速分布简单化，可以根据所得到的流速高精度地导出流量，从而可以获得更高精度的超声波流量计。
本发明的第6种形式的超声波流量计，采用在第1～第5种形式的超声波流量计中将一对超声波收发器的收发面配置在相对的位置的结构，一对超声波收发器的位置调整变得容易，从而可以获得更高精度的超声波流量计。
本发明的第7种形式的超声波流量计，采用在第1、第6种形式的超声波流量计中导体使用与从超声波收发器发射的超声波的波长相比十分薄的导体的结构，可以对超声波收发器的特性没有影响地连接电极，并且压电体的处理也容易，所以，可以获得高灵敏度的小型的超声波收发器，从而可以获得更高精度的超声波流量计。
本发明的第8种形式的超声波流量计，采用在第1～第7种形式的超声波流量计中在超声波收发器的收发波面上具有声波匹配层的结构，与被测流体之间的超声波的收发变得容易，所以，可以获得高灵敏度的超声波收发器，从而可以获得更高精度的超声波流量计。
本发明的第9种形式的超声波流量计，采用在第1～第8种形式的超声波流量计中在与超声波收发器的收发波面相对的面上具有背面负载材料的结构，可以获得能够收发混响时间短的超声波脉冲的超声波收发器，从而可以获得更高精度的超声波流量计。
本发明的第1种形式的超声波收发器具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面的压电体，采用上述压电体的收发波面的纵和横的长度与厚度之比都小于0．6的结构，将压电体的厚度纵向振动作为主模式来利用，所以，可以获得高灵敏度、高速响应性、型的超声波收发器。
本发明的第2种形式的超声波收发器，具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面的压电体，采用上述压电体利用沟分割收发波面或与上述收发波面相对的面、上述沟的深度相对于由设置电极的面所夹的厚度大于90％小于100％，同时用导体将由上述沟所分割的面的全部电极连接的结构，可以利用沟将厚度纵向振动和不需要的振动模式分离，所以，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器。
在上述第2种形式的超声波收发器中，设有多个沟的，能够获得频率和尺寸的选择幅度更宽的小型的超声波收发器。
在上述第2种形式的超声波收发器中，使利用沟分割的各个面的纵和横的长度与厚度之比全部小于0．6，不仅厚度纵向振动和不需要的振动模式可以分离为在实用上没有问题的程度，而且可以将厚度纵向振动作为主模式来利用，所以，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器。
本发明的第3种形式的超声波收发器，具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面的多个压电体，采用使各压电体的收发波面的纵和横的长度与厚度之比全部小于0．6同时将上述收发波面的各电极和与上述收发波面相对的面的各电极分别用导体连接的结构，由于使用多个分离的压电体，可以不太受不需要的振动模式的影响而将厚度纵向振动作为主模式来利用，所以，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器。
本发明的第4种形式的超声波收发器，采用在第1～第3种形式的超声波收发器中将沿与电极垂直的方向极化的多个压电体层叠为极化方向相互相反从而将这样层叠的压电体的上述电极方向的振动作为主模式的结构，可以减小超声波收发器的电阻抗，所以，可以获得抗噪音强的超声波收发器。
本发明的第5种形式的超声波收发器采用在第1～第4种形式的超声波收发器中导体使用与从超声波收发器发射的超声波的波长相比十分薄的导体的结构，可以对超声波收发器的特性没有影响地连接电极，并且压电体的处理也容易，所以，可以获得高灵敏度的小型的超声波收发器。
本发明的第6种形式的超声波收发器，采用在第1～第5种形式的超声波收发器中在超声波收发器的收发波面上具有声波匹配层的结构，与被测流体之间的超声波的收发容易，所以，可以获得高灵敏度的超声波收发器。
本发明的第7种形式的超声波收发器，采用在第1～6种形式的超声波收发器中在与超声波收发器的收发波面相对的面上具有背面负载材料的结构，所以，可以获得能够收发混响时间短的超声波脉冲的超声波收发器。
附图的简单说明图1是表示本发明实施例1的超声波流量计的结构的图。
图2是表示本发明实施例1的超声波收发器相对于流道的配置的图。
图3是表示本发明实施例1的超声波收发器的结构的图。
图4是表示本发明实施例2的超声波收发器的结构的图。
图5是表示本发明实施例3的超声波收发器的结构的图。
图6是表示本发明实施例4的超声波收发器的结构的图。
图7是表示本发明实施例5的超声波收发器的结构的图。
图8是表示本发明分析用的压电体的结构的图。
图9是表示本发明实施例6利用有限元法进行的阻抗分析的结果的图。
图10是表示本发明实施例6的流道截面的图。
图11是表示本发明实施例6的构成有2条沟的压电体的图。
图12是表示本发明实施例6的构成有3条沟的压电体的图。
图13是表示本发明实施例6利用有限元法进行的阻抗分析的结果的图。
图14是表示本发明实施例设置有沟的压电体的阻抗分析结果的图。
图15是表示本发明实施例6的超声波收发器的外观结构的图。
图16是表示本发明实施例6的超声波收发器的截面结构的图。
图17是表示本发明实施例6的超声波收发器的超声波脉冲的图。
图18是表示本发明实施例3的超声波收发器的变形例的外观结构的图。
图19是表示本发明实施例4的超声波收发器的变形例的外观结构的图。
图20是表示先有的超声波流量计的结构的图。
图21是表示先有的气体用超声波振子的结构的图。
用于实施发明的最佳的形式下面，参照
本发明的实施例1。(1)实施例1图1是本发明实施例1的超声波流量计的流量检测部的概略图。在图1中，1是被测流体即空气，2是空气1以流速V流动的流道，3、4、5、6是构成流道2的上板、底板、侧板A、侧板B，7是配置在侧板A5上的超声波收发器A，8是配置在侧板B6上的超声波收发器B，9是流道2的入口侧，10是流道2的出口侧。另外，图2是从正上方看图1的图，表示超声波收发器的配置位置。
下面，使用图1、图2简单地说明上述结构的超声波流量计的流量检测部的制造方法的一例。构成流道2的上板3、底板4、侧板A5、侧板B6所使用的材料是使用对被测流体不发生化学变化的材质的平板。在本实施例中，由于这里被测流体为例如空气1，所以，作为适合于上述条件的绝缘体的材质选择丙烯(树脂)板。侧板A5和侧板B6引线预先考虑安装超声波收发器的角度倾斜地一分为二。将一分为二的侧板A5、侧板B6用例如环氧树脂系列粘接剂粘接到底板4上，可以形成安装超声波收发器的宽度的沟。这时，预先以与沟宽相等的宽度将贯通设置在侧板A5和侧板B6上的沟的长度的例如聚四氟乙烯制的四角棒作为定位棒插入到设置在侧板A5和侧板B6上的沟中代替超声波收发器。将上板3用例如环氧树脂系列粘接剂粘接到侧板A5和侧板B6的上方，构成流道2。拔出预先插入的定位棒，将超声波收发器A7插入到侧板A5的沟中，将超声波收发器B8插入到侧板B6的沟中。超声波收发器A7和超声波收发器B8相对于流道2的中心对称地用环氧树脂系列粘接剂粘接固定到与上板3平行的位置。但是，超声波收发器A7和超声波收发器B8配置到侧板A5和侧板B6上不能成为流道2内的突起物。另外，注入粘接剂进行密封，以使在流道2内流动的空气1不能从在设置在侧板上的沟和超声波收发器之间形成的间隙泄漏。
使用图3简单地示出了上述结构的超声波流量计的流量检测部使用的超声波收发器的制造方法的一例。进行超声波收发器的电信号和机械振动的变换的压电板11根据形状和尺寸具有多个振动模式，这些多个振动模式中效率最高的振动模式是厚度纵向振动，如果将厚度纵向振动作为主模式使用，就可以获得灵敏度高的超声波收发器。
这里，使用研究作为压电板11的收发波面的面的纵和横的长度与厚度的尺寸关系的有限元法进行压电分析的结果，压电板11为长方体、超声波收发波面为长方形时，只要压电板11的收发波面的纵和横的长度小于厚度就可以，而满足纵向长度与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6的条件时，压电板11就可以不受不需要的振动模式的影响而进行最有效的厚度纵向振动。将引线14焊接到在由例如压电陶瓷构成的上述形状的压电板11的上面和下面通过例如镀银而形成的电极面上。其次，为了获得空气1和压电板11的声波匹配而使超声波在空气1中有效地传播，将例如由聚烯烃系列微多孔膜构成的匹配层12使用例如环氧树脂系列的粘接剂粘接到压电板11的上面。另外，为了获得拖尾短、前沿陡的超声波脉冲，将例如由铁氧体橡胶构成的背面负载材料13使用例如环氧树脂系列粘接剂粘接到压电板11的下面，制作超声波收发器。
下面，说明使用上述结构的流量检测部的超声波流量计的动作。设连接配置在侧板A5和侧板B6上的超声波收发器A7和超声波收发器B8的中心的线与流道2的长度方向的夹角为θ，超声波收发器A7与超声波收发器B8的距离为L。超声波收发器A7和超声波收发器B8通过引线14与图中未示出的发信部、受信部和流量分析部连接。另外，使流道2的上板3与底板4之间的间隔即高度和压电体11的超声波收发波面的至少短边的长度相等。
作为被测流体的空气1从入口侧流入流道2内，从出口侧10流出。在截面形状呈长方形的流道2内流动的空气1的流速分布与截面形状呈圆板的相比简单，高度方向的分布少，就沿短轴方向有分布。设在流道2内的空气1的流速为V、在无风状态下的空气1的声速为C，如先有的技术所示的那样，从超声波收发器A7发射的超声波在空气1中传播，由超声波收发器B8接收的时间t1可以用式1表示。同样，从超声波收发器B8发射的超声波在空气1中传播，由超声波收发器A7接收的传播时间t2可以用式2表示。从式1、式2中消去空气1的声速C，则得式3。根据上式求空气1的流速V，则为式4。
反复进行从超声波收发器A7发射超声波而由超声波收发器B8接收和从超声波收发器B8发射超声波而由超声波收发器A7接收的过程，使用上式测量空气1的流速V，可以由图中未示出的流量分析部导出流量。
这里，由于超声波收发器A7和超声波收发器B8的超声波发射面即收发波面的短边和流道2的高度相等，所以，由超声波收发器A7和超声波收发器B8收发的超声波可以获得关于流道2的高度方向的流动的信息。因此，在流道2中，即使有流动的分布或紊乱，也可以消除其影响。
如上所述，按照本实施例，在截面形状呈长方形的流道2中，通过相对地配置由纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6的压电板11和匹配层12以及背面负载材料13构成的超声波收发器A7和超声波收发器B8，可以在短时间内高精度地测量在流道2内流动的空气1的流量。
在实施例1中，使被测流体为空气，但是，也可以是空气以外的气体和液体。另外，这里流道2的截面形状为长方形，但是，也可以是圆形，或者上板3和底板4平行，而侧板A5和侧板B6不需要平行。另外，这里流道2的高度与收发波面的短边相等，但是，也不一定必须相等。另外，这里超声波收发器使用于超声波流量计的流量检测部，但是，也可以作为在开空间使用的空中用或水中用的超声波收发器使用。另外，这里设置了背面负载材料13，在用低电压驱动的条件下，需要更高灵敏度的超声波收发器时，则不必设置背面负载材料13。另外，压电板11的超声波收发波面和相对的面的电极不需要在整个面上。另外，匹配层12采用的是聚烯烃系列多孔膜，但是，只要是适合于被测流体的声波匹配材料，不论什么都可以。另外，背面负载材料13采用的是铁氧体橡胶，但是，只要是可以获得不需要的振动的衰减效果的材料，不论什么都可以。(2)实施例2下面，参照
本发明的实施例2。
图4是本发明的实施例2的超声波流量计使用的超声波收发器的结构的概略图。在图4中，18是匹配层，19是背面负载材料，20是引线，以上与图3的结构相同。与图3的结构不同的地方是，对于纵向与厚度之比或宽度与厚度之比大于0．6的压电板15，设置大于厚度的90％小于100％的深度的沟16，电极面的形状将纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6的压电板15一分为二，一分为二的电极和分割前一样与成为1块电极的导体17连接，不将液体和固体等物质填充到沟16中。
下面，使用图4简单地说明上述结构的超声波收发器的制造方法的一例。如果要构筑小型的超声波流量计，超声波收发器所允许的尺寸就减小。但是，如果考虑超声波收发器的特性，最好尽可能使用大的压电板，例如，有时选择由流道2的高度和超声波收发波面的至少与流道的高度对应的1边的长度相等的长方形的例如压电陶瓷构成的压电板15。因此，根据使用频率及流道2的高度，压电板15不限于是纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6的压电板。但是，如果使用纵向与厚度之比大于0．6或宽度与厚度之比大于0．6的压电板15，则厚度振动便和其他的振动模式混合存在，从而特性恶化。因此，在本实施例中，为了将厚度振动和其他振动模式分离，是通过分割压电板15而将厚度振动和其他振动模式分离的。如果设置深度大于压电板的厚度的90％的沟，就可以获得和压电板完全分割时基本上相等的效果，所以，考虑到压电板的处理，例如使用切割机加工1条深度大于厚度的90％小于厚度的100％的沟16。但是，沟16加工在对于一分为二的压电板15的设置电极的各面的厚度其纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6的位置。
其次，将由例如厚度0．02mm、面积与压电板15基本上相等的铜箔构成的导体17加压并使用例如环氧树脂系列粘接剂粘接到压电板15的一分为二的面上。只要粘接层薄，压电板15的电极和导体17将可以获得电气连接。为了避免横向的振动的耦合，不向沟16内填充液体和固体等物质。将引线20使用例如焊锡焊接到导体17和压电板15的未分割面上。将导体17和例如由铁氧体橡胶构成的背面负载材料19使用例如环氧树脂系列粘接剂进行粘接。另外，将压电板15的未分割面和由例如聚烯烃系列多孔膜构成的匹配层18使用例如环氧树脂系列粘接剂进行粘接，制作超声波收发器。
按上述方式制作的超声波收发器，由于压电板15利用沟16而将厚度振动作为主模式，所以灵敏度高。此外，由于配置了匹配层18和背面负载材料19，所以，可以发送拖尾短、前沿陡的超声波脉冲。
超声波流量计的流量检测部的制造方法和测量在使用了超声波收发器A7及超声波收发器B8的截面形状呈长方形的流道2中流动的空气1的流量的超声波流量计的工作方法和实施例1相同，所以省略。
如上所述，按照本实施例，对于纵向与厚度之比大于0．6或宽度与厚度之比大于0．6的长方体的压电板15，通过设置大于厚度的90％小于100％的沟16，使用一分为二的压电板15的一方的电极面的纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6的压电板15，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以在短时间内高精度地测量在流道2内流动的空气1的流量。
在实施例2中，使压电板15的超声波收发波面的纵向与厚度之比大于0．6或宽度与厚度之比大于0．6，但是，该收发波面的纵、横尺寸只要是电极方向的振动成为主模式的尺寸即可以，即使纵向与厚度之比大于0．6并且宽度与厚度之比大于0．6也没有关系。另外，沟的深度只要是电极方向的振动成为主模式的尺寸，也可以任意设定。并且，该收发波面的纵、横尺寸和沟的深度在以下所述的各实施例中也一样。
此外，虽然设定沟16为1条，但是，也可以是2条以上。另外，这里是使用粘接剂将铜箔粘接到压电板15的分割的电极上的，但是，也可以使用焊锡焊接导电性的引线，使用厚度小于波长的薄导体17和导电性膏等进行分割的压电板15的电极的电气连接。另外，采用将粘接到压电板15的一分为二的面上的导体17与背面负载材料19进行粘接，但是，也可以将导体17与匹配层18进行粘接。另外，是将超声波收发器使用于超声波流量计的流量检测部的，但是，也可以作为在开放空间使用的空中用及水中用的超声波收发器使用。另外，为了避免横向的振动的耦合，这里不向沟16内填充液体和固体等物质，但是，为了增加压电板的机械强度，也可以向沟16内填充比较难于传播振动的例如硅橡胶。
另外，虽然这里流道2的高度和超声波收发波面的至少与流道的高度对应的1边的长度相等，但是，不一定必须相等。另外，这里设置了背面负载材料19，但是，在以低电压进行驱动的条件下需要更高灵敏度的超声波收发器时，则不必设置背面负载材料19。另外，压电板15的超声波收发波面和相对的面的电极不必是整个面。这里，压电板15采用的是长方体，但是，采用圆筒形也可以获得同样的效果。另外，只要沟16可以将厚度纵向振动与不需要的振动模式分离，就不必设置在压电板15的与设置电极的面垂直的方向上。匹配层18采用的是聚烯烃系列多孔膜，但是，只要是适合于被测流体的声波匹配材料，不论什么都可以。另外，背面负载材料19采用的是铁氧体橡胶，但是，只要是可以获得不需要的振动的衰减效果的材料，不论什么都可以。(3)实施例3下面，参照
本发明的实施例3。
图5是使用于本发明实施例3的超声波流量计的超声波收发器的结构概略图。在图5中，25是匹配层，26是背面负载材料，27是引线，以上和图3的结构相同。和图3的结构不同的地方是，对于纵向与厚度之比大于0．6并且宽度与厚度之比大于0．6的压电板21，将深度大于压电板21的厚度的90％小于100％的沟A22和沟B23设置为十字交叉以使电极面的形状成为纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6，分割的电极和分割前一样与成为1块电极的导体24连接，以及不向沟A22和沟B23内填充液体和固体等物质。
下面，使用图5简单地说明上述结构的超声波收发器的制造方法的一例。如果想构筑小型的超声波流量计，超声波收发器所允许的尺寸就减小。但是，考虑到超声波收发器的特性，最好尽可能使用大的压电板，例如，有时选择由超声波收发波面的2边的长度与流道2的高度相等的长方形的例如压电陶瓷构成的压电板21。根据使用频率及流道2的高度，压电板21不限于是纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6。但是，如果使用纵向与厚度之比大于0．6并且宽度与厚度之比大于0．6的压电板21，厚度振动和其他振动模式混合存在，从而特性将恶化。因此，在本实施例中，为了将厚度振动与其他振动模式分离，也是通过分割压电板21来将厚度振动与其他振动模式分离的。如果设置深度大于压电板的厚度的90％的沟，就可以获得和压电板完全分割时基本上相等的效果，所以，考虑到压电板21的处理，使用例如切割机加工深度大于厚度的90％小于100％的沟A22和沟B23。但是，十字形地加工成沟A22和沟B23在压电板21的一方的电极面的中心附近交叉，一分为四的所有的电极面成为纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6。为了避免横向的振动的耦合，不向沟A22和沟B23内填充液体和固体等物质。
其次，将由例如厚度0．02mm、面积与压电板21基本上相等的铜箔构成的导体24加压并用例如环氧树脂系列粘接剂与压电板21的一分为四的面进行粘接。如果粘接层薄，压电板21的电极与导体24就可以获得电气连接。为了避免横向的振动的耦合，不向沟A22和沟B23内填充液体和固体等物质。将引线27例如使用焊锡焊接到导体24和压电板21的未分割面上。将导体24和例如由铁氧体橡胶构成的背面负载材料26使用例如环氧树脂系列粘接剂进行粘接。另外，将压电板21的未分割面和由例如聚烯烃系列微多孔膜构成的匹配层25使用例如环氧树脂系列粘接剂进行粘接，制作超声波收发器。
按上述方式制作的超声波收发器，由于压电板21利用沟A22和沟B23而将厚度纵向振动作为主模式，所以，灵敏度高。此外，由于配置了匹配层25和背面负载材料26，所以，可以发送拖尾短、前沿陡的超声波脉冲。
超声波流量计的流量检测部的制造方法和测量在使用了超声波收发器A7和超声波收发器B8的截面形状呈长方形的流道2中流动的空气1的流量的超声波流量计的工作方法和实施例1相同，所以此处省略。
如上所述，按照本实施例，对于纵向与厚度之比大于0．6并且宽度与厚度之比大于0．6的压电板21，通过以十字形交叉地设置深度大于厚度的90％小于100％的沟A22和沟B23使电极面的形状成为纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以在短时间内高精度地测量在流道2内流动的空气1的流量。
在实施例3中，压电板21的超声波收发波面是正方形，但是，也可以是长方形或圆筒形。另外，这里是用粘接剂将铜箔粘接到压电板21的分割的电极上的，但是，也可以使用焊锡焊接引线，或者使用厚度小于波长的薄的导体24和导电性膏等进行所分割的压电板21的电极的电气连接。另外，这里是将与压电板21的一分为四的面粘接的导体24与背面负载材料26进行粘接的，但是也可以将导体24与匹配层25进行粘接。另外，这里超声波收发器是用于超声波流量计的流量检测部，但是，也可以作为在开放空间使用的空中用及水中用的超声波收发器使用。此外，这里不向沟A22和沟B23内填充液体和固体等物质，但是，为了增加压电板的机械强度，也可以向沟A22和沟B23内填充比较难于传播振动的例如硅橡胶。
另外，还使流道2的高度和超声波收发波面的2边的长度相等，但是，不一定必须相等。另外，这里设置了背面负载材料26，但是，在以低电压进行驱动的条件下需要更高灵敏度的超声波收发器时，就不需要设置背面负载材料26。另外，压电板21的超声波收发波面和相对的面的电极不必位于整个面上。只要沟A22和沟B23能够将厚度纵向振动与不需要的振动模式分离，就不必设置在压电板21的设置电极的面垂直的方向上。另外，匹配层25采用的是聚烯烃系列多孔膜，但是，只要是适合于被测流体的声波匹配材料，不论是什么材料都可以。背面负载材料26采用的是铁氧体橡胶，但是，只要是可以获得不需要的振动的衰减效果的材料，不论是什么材料都可以。(4)实施例4
下面，参照
本发明的实施例4。
图6是用于本发明实施例4的超声波流量计的超声波收发器的结构概略图。在图6中，33是匹配层，34是背面负载材料，35是引线，以上和图3的结构相同。和图3的结构不同的地方是，将纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6、厚度相等的2块压电板A28和压电板B29之间设置间隙而配置以使不会与背面负载材料34相互接触，将导体A31和导体B32分别与压电板A28和压电板B29的超声波收发波面一侧和背面负载材料一侧电气连接，以及不向间隙30中填充液体和固体等物质。
下面，使用图6说明上述结构的超声波收发器的制造方法的一例。如果想构筑小型的超声波流量计，超声波收发器所允许的尺寸就减小。但是，考虑到超声波收发器的特性，最好尽可能使用大的压电板，例如，有时选择由例如纵向与厚度之比大于0．6而宽度与厚度之比小于0．6的长方体的例如压电陶瓷构成的的压电板。这种形状的压电板，厚度振动和其他振动模式混合存在，所以，特性将恶化。因此，在本实施例中，也是通过将压电板一分为二而将厚度振动和其他振动模式分离的。在实施例2和实施例3中，考虑到厚度振动与其他振动模式的分离和压电板的处理，是这里未将压电板完全分割，但是，由于将压电板完全分割才能将厚度振动与其他振动模式完全进行分离，所以，在本实施例中，将压电板完全分割。
将由尺寸比压电板的电极大的例如厚度0．02mm的铜箔构成的导体B32加压并使用例如环氧树脂系列粘接剂与由例如纵向与厚度之比大于0．6而宽度与厚度之比小于0．6的长方体的压电陶瓷构成的压电板进行粘接。如果粘接层薄，压电板的电极和导体B32就可以获得电气连接。将导体B32和由例如铁氧体橡胶构成的背面负载材料34使用例如环氧树脂系列粘接剂进行粘接。将从压电板伸出的导体B32的一部分弯曲，并使用例如环氧树脂系列粘接剂粘接到背面负载材料34的侧面上。将与背面负载材料34成为一体的压电板使用例如切割机完全分割为两部分。但是，所形成的压电板A28和压电板B29分割成纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6。另外，导体B32的弯曲的部分不完全切断。将由例如厚度0．02mm的铜箔构成的导体A31使用例如环氧树脂系列粘接剂粘接到压电板A28和压电板B29的上方。为了避免横向的振动的耦合，不向间隙30内填充液体和固体等物质。将引线35使用例如焊锡焊接到导体A31和导体B32上。将由例如聚烯烃系列微多孔膜构成的匹配层25使用例如环氧树脂系列粘接剂与导体A31进行粘接，制作超声波收发器。
按上述方式制作的超声波收发器，压电板A28和压电板B29相隔间隙30而配置，不易受到不需要的振动模式的影响，由于将厚度纵向振动作为主模式，所以，灵敏度高。此外，由于配置了匹配层33和背面负载材料34，所以，可以发送拖尾短、前沿陡的超声波脉冲。
超声波流量计的流量检测部的制造方法和测量在使用了超声波收发器A7和超声波收发器B8的截面形状呈长方形的流道2中流动的空气1的流量的超声波流量计的工作方法和实施例1相同，所以此处省略。
如上所述，按照本实施例，通过将纵向与厚度之比大于0．6而宽度与厚度之比小于0．6的压电板分割为纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6的2块压电板A28和压电板B29，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以在短时间内高精度地测量在流道2内流动的空气1的流量。
在实施例4中，使用的是纵向与厚度之比大于0．6而宽度与厚度之比小于0．6的压电板，但是，也可以使用纵向与厚度之比小于0．6而宽度与厚度之比大于0．6或者纵向与厚度之比大于0．6并且宽度与厚度之比大于0．6的压电板。另外，这里是分割为压电板A28和压电板B29的2块压电板，但是，也可以分割为3块以上的压电板。这里是将1块压电板粘接到背面负载材料34上后进行分割而使用的，但是，也可以将厚度相等的2块以上的压电板与背面负载材料34进行粘接。另外，这里是用粘接剂将铜箔粘接到压电板A28和压电板B29上的，但是，也可以使用焊锡来焊接引线或使用导电性膏等导体A31和导体B32进行电气连接。这里不向间隙30中填充液体和固体等物质，但是，为了增加压电板的机械强度，也可以向间隙30中填充比较难于传播振动的例如硅橡胶。另外，这里超声波收发器是用于超声波流量计的流量检测部，但是，也可以作为在开放空间使用的空中用和水中用的超声波收发器使用。
另外，虽然至少超声波收发波面的与流道2的高度对应的边的长度最好与流道2的高度相等，但是，也可以不相等。这里设置了背面负载材料34，但是，在低电压下进行驱动的条件下需要更高灵敏度的超声波收发器时，就不必设置背面负载材料34。另外，压电板A28或压电板B29的超声波收发波面和相对的面的电极不必位于整个面上。只要可以将厚度纵向振动与不需要的振动模式分离，就不必将间隙30设置在压电板B29的设置电极的面垂直的方向上。另外，压电板A28和压电板B29只要是厚度纵向振动的压电板就可以，例如，也可以使用圆柱形状的多个压电体。匹配层33采用的是聚烯烃系列多孔膜，但是，只要是适合于被测流体的声波匹配材料，不论是什么材料都可以。另外，背面负载材料34采用的是铁氧体橡胶，但是，只要是可以获得不需要的振动的衰减效果的材料，不论是什么材料都可以。(5)实施例5下面，参照
本发明的实施例5。
图7是用于本发明实施例5的超声波流量计的超声波收发器的结构概略图。在图7中，39是匹配层，40是背面负载材料，以上和图3的结构相同。和图3的结构不同的地方是，压电板是将厚度相等的3块压电板层叠而构成，该层叠的压电板的纵向与总体的厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6，3块压电板配置为极化方向相互相反，设置引线A41和引线B42使3块压电板的电极每隔1块而成为同电位。
下面，使用图7简单地说明上述结构的超声波收发器的制造方法的一例。如果想构筑小型而廉价的超声波流量计，超声波收发器所允许的尺寸就减小，考虑到电路的价格，则是使用的频率越低越好。因此，在使用厚度振动的压电板中，如果电阻抗增高，就难于获得与电路的匹配，从而不能忽略噪音的影响，有时不能充分发挥超声波收发器所具有的性能。
特别是在以低电压进行驱动的条件下，由于所接收的超声波脉冲的绝对值小，所以，信噪比(S／N)差，有时会给流量测量的精度以很大的影响。因此，必须减小压电板的电阻抗，从而减小噪音的影响等。
因此，设想了沿厚度方向将例如3块压电板层叠的问题。设满足纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6的条件的压电板的厚度为T，则进行层叠的压电板A36、压电板B37、压电板C38的厚度为T／3。
将由上述尺寸的例如压电陶瓷构成的压电板A36、压电板B37、压电板C38使用例如环氧树脂系列粘接剂进行加压而粘接，使它们的极化方向相互相反。如果粘接层薄，则压电板A36和压电板B37之间的电极、压电板B37和压电板C38之间的电极便相互电气连接。压电板A36的上方的电极和压电板B37与压电板C38之间的电极使用例如银膏粘接引线A41，与从压电板的侧面可以看到的部分电气连接。另外，压电板A36与压电板B37之间的电极和压电板C38下方的电极使用例如银膏粘接引线B42，与从压电板的侧面可以看到的部分电气连接。使用引线A41和引线B42将压电板A36、压电板B37、压电板C38连接。
这样将3块压电板层叠而构成的压电板的厚度方向的振动，即使是基于厚度T的频率也可以进行厚度纵向振动。另外，关于电阻抗，由于有各压电板的边界面的粘接层的影响，所以，不会成为与厚度为T／3、电极面积3倍的压电板相同的电阻抗，而是成为比厚度为T的压电板小的电阻抗。这样，便可获得和将厚度为T／3、电极面积3倍的1块压电板折叠时相同的效果，与1块长方体的压电板相比，可以减小电阻抗。
另外，将压电板A36、压电板B37、压电板C38粘接而形成的压电板，成为纵向与厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6的形状，所以，可以有选择地仅利用厚度振动。将由例如铁氧体橡胶构成的背面负载材料34使用例如环氧树脂系列粘接剂粘接到压电板C38的下方。将由例如聚烯烃系列多孔膜构成的匹配层39使用例如环氧树脂系列粘接剂粘接到压电板A36的上方，制作超声波收发器。
超声波流量计的流量检测部的制造方法和测量在使用了超声波收发器A7和超声波收发器B8的截面形状呈长方形的流道2中流动的空气1的流量的超声波流量计的工作方法和实施例1相同，所以此处省略。
如上所述，按照本实施例，通过使用将厚度相等的3块压电板A36、压电板B37、压电板C38层叠为极化方向相互相反、而层叠的压电板的纵向与总体的厚度之比小于0．6并且宽度与厚度之比小于0．6的压电板，可以减小电阻抗，不易受到噪音的影响，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以在短时间内高精度地测量在流道2内流动的空气1的流量。
在实施例5中，使层叠的压电板的块数为3块，但是，既可以是5块以上的奇数块，也可以是2块以上的偶数块。另外，这里所层叠的压电板的纵向与厚度之比大于0．6而宽度与厚度之比小于0．6，但是，不论是纵向与厚度之比大于0．6或宽度与厚度之比大于0．6都可以。但是，上述形状的情况，必须和实施例3、实施例4、实施例5一样进行分割。另外，这里超声波收发器是用于超声波流量计的流量检测部，但是，也可以作为在开放空间使用的空中用的超声波收发器使用。
另外，虽然流道2的高度和至少超声波收发波面的与流道2的高度对应的边的长度最好相等，但是，也可以不相等。此外，这里还设置了背面负载材料40，但是，在以低电压进行驱动的条件下需要更高灵敏度的超声波收发器时，则不必设置背面负载材料40。另外，与压电板A36、压电板B37、压电板C38的超声波收发波面相等的方向的面和相对的面的电极不必位于整个面上。并且，压电板A36、压电板B37、压电板C38可以不是长方体，也可以使用圆柱形状的多个压电体。另外，匹配层39采用的是聚烯烃系列多孔膜，但是，只要是适合于被测流体的声波匹配材料，不论是什么材料都可以。另外，背面负载材料40采用的是铁氧体橡胶，但是，只要是能够获得不需要的振动的衰减效果的材料，不论是什么材料都可以。(6)实施例6下面，参照
本发明的实施例6。
在本实施例中，示出了对实施例1～实施例4使用的超声波收发器进行的具体的研究事例。
首先，使用图8和图9说明压电体的收发波面的纵向和横向的长度与厚度的关系。图8是本发明的一个实施例的超声波流量计使用的超声波收发器的结构部件之一即压电体的形状。在图8中，60是长方体形状的压电体，61是压电体60的收发波面，62是压电体60的纵向，63是压电体60的横向，64是压电体60的厚度。图9是按图8的形状，压电体60使用压电陶瓷、取厚度64为一定(8mm)、改变收发波面61的纵向62和横向63的长度、使用有限元法进行的阻抗分析结果。不论其中的哪一个图，横轴都是频率，纵轴都是电阻抗，分别设纵向62的长度为L、横向63的长度为W、厚度64为T。图9(a)是L／T=W／T=0．4的情况，图9(b)是L／T=W／T=0．6的情况，图9(c)是L／T=W／T=0．8的情况。
在图9(a)中，在厚度64上的厚度纵向振动的共振频率是在180kHz附近出现的波谷的部分，反共振频率是在260kHz附近出现的波峰的部分。在图示的范围内，没有其他振动模式的共振频率(波峰)及反共振频率(波谷)。在图9(b)中，和图9(a)一样，厚度纵向振动的共振频率和反共振频率可以清楚地确认。另外，在不会给厚度纵向振动以影响的远离的频率(430kHz附近)也可以确认其他振动模式的共振频率和反共振频率。在图9(c)中，在厚度纵向振动的共振频率(180kHz附近)和反共振频率(260kHz附近)之间可以看到其他振动模式的共振频率和反共振频率，可见厚度纵向振动和其他振动模式混合存在。根据该分析结果可知，压电板60的收发波面61的纵向62和横向63的长度与厚度64的一切比值小于0．6时，可以将厚度纵向振动作为主模式最有效地利用。
下面，研究适合于图10所示的流道截面的尺寸的压电体。例如，设流道高度65为8mm、流道宽度66为40mm。从超声波流量计的测量精度和工业的角度看，考虑压电体60的纵向62和横向63的长度与流道高度65相等的8mm、厚度64为5mm的情况。如果使用收发波面61的纵向62和横向63的长度与厚度64的一切比值小于0．6的条件，则收发波面61至少必须分割为例如9个。但是，如果为了进行分割而设置的沟的数量增加，则加工时间延长，制造成本增大。因此，进行了将厚度纵向振动和其他不需要的振动模式分离为在实用上没有问题的程度的形状的研究。
图11是对压电体67设置2条沟68的情况，图12是对压电体72设置2条沟73的情况，再次使用有限元法进行了阻抗分析。但是，阻抗分析是按压电体完全分割的图8所示的形状进行的。图13(a)与图11的情况对应，纵向62和横向63都是4mm(L／T=W／T=0．8)，图13(b)与图12的情况对应，取横向62为2．7mm，纵向63为8mm(L／T=0．5、W／T=1．6)。为了进行比较，在图13(c)中，示出了纵向62和横向63都为3mm(L／T=W／T=0．6)的分析结果。
在图13(a)中，与图13(c)相比，对于厚度纵向振动，在接近的频率中存在其他不需要的振动模式。在图13(b)中，可知厚度纵向振动和其他不需要的振动模式混合存在。根据以上的结果，即使在纵向62和横向63为4mm的条件下，也判定在实用上问题不大，如图11所示，决定在压电体67上设置沟68。
最后，通过实际上使用切割机在压电体上设置沟评价沟的深度的效果。压电体67的纵向71和横向70的长度取为8mm，厚度69取为5mm。另外，2条沟68如图13所示的那样设置成在收发波面的中央附近交叉。2条沟68的深度设置为相等。
图14(a)是沟68的深度与厚度69之比为0％的情况，图14(b)是沟的深度与厚度69之比为80％的情况，图14(c)是沟68的深度与厚度69之比为90％的情况，图14(d)是完全切断的情况。虽然仅按阻抗轨迹对于厚度纵向振动和其他不需要的振动模式的分离不能得出明确的结论，但是，如果沟68的深度与厚度69之比大于90％，就可以断定厚度纵向振动和不需要的振动模式可以分离在实用上没有问题的程度。
使用压电体67的纵向71和横向70的长度为8mm、厚度69为5mm、设置十字沟68的图11所示的形状的压电体67，试制超声波收发器并评价了特性。
超声波收发器的外观图示于图15、截面图示于图16、超声波脉冲示于图17。在图15中，74是超声波收发器，75是由环氧树脂和玻璃构成的匹配层，76是由黄铜构成的圆筒形的外壳。在图16中，77是由设置了十字沟78的压电陶瓷构成的压电体。设想用电池电压进行驱动，为了获得高灵敏度的超声波收发器74，不设置背面负载材料。图17是对于具有流道高度65为8mm、流道宽度66为40mm的截面形状的流道，相对地配置一对超声波收发器74并用3周期的方波驱动一方的超声波收发器74而由另一方的超声波收发器接收的超声波脉冲。根据该超声波脉冲确认超声波收发器74具有在实用上没有问题的特性。
如上所述，按照本实施例，如果沟的深度相对于与收发波面垂直的方向的厚度大于90％小于100％，就可以将厚度纵向振动与其他不需要的振动模式分离为在实用上没有问题的程度。另外，通过沟所分割的超声波收发波面的各面的纵向和横向的长度与厚度的全部比值小于0．8最好小于0．6时，可以将厚度纵向振动与其他不需要的振动模式分离为在实用上没有问题的程度，从而可以将厚度纵向振动作为主模式来利用。
匹配层75采用的是圆板形状，但是，也可以是正方形或椭圆形。外壳76采用圆筒形，但是，如果压电体77可以配置在内侧，其他形状也可以。匹配层75和外壳76所使用的材质，根据使用环境和成本等因素，可以选择最佳的材料。
在上述实施例中，外壳76形成有顶圆筒状，下面的开口用和外壳76相同的黄铜盖板76a进行覆盖，将两板接合从而将压电体77密封。因此，即使压电体77积蓄电荷而发生火花，由于外壳76和盖板76a的密封效果，也可以将它们隔断，故即使测量的流体是可燃性气体或可燃性液体，也可以确保安全性。另外，使由外壳76和盖板76a所包围的空间79内的气体干燥，因此，可以防止在该空间79内发生结露，从而可以防止压电体77的陶瓷溶解而破坏，这样，便可提高可靠性。另外，外壳76的顶部兼作电极，引线的一方可以与盖板76a连接，所以，也可以实现引线引出结构的简化。图中，80是与盖板76a一体化的绝缘体，引出另一方的引线。
图18是实施例3的变形例，图19是实施例4的变形例，压电板都采用圆筒形状。
产业上利用的可能性如上所述，本发明的第1超声波流量计具有流道和测量该流道中的流体流量而配置的超声波收发器，上述超声波收发器具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面而使该收发波面面向上述流道的压电体，上述压电体采用设定该收发波面的纵向和横向的长度以使电极方向的振动成为主模式的结构，由于将压电体的厚度纵向振动作为主模式来利用，所以，可以获得高灵敏度、高速响应性、小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
另外，本发明的第2超声波流量计具有流道和测量该流道中的流体流量而配置的超声波收发器，上述超声波收发器具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面而使该收发波面面向上述流道的压电体，上述压电体采用将收发波面或与上述收发波面相对的面的至少一方用沟分割同时用导体将设置在所分割的面上的全部电极电气连接的结构，由于可以利用沟将厚度纵向振动与不需要的振动模式分离，所以，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
在本发明中，采用以电极方向的振动作为主模式的深度的沟分割压电体的结构，以及沟的深度与收发波面垂直的方向的厚度相比，大于90％小于100％，由于未将压电体完全分离，所以，压电体的处理容易，此外，由于可以将厚度纵向振动与不需要的振动模式分离为在实用上没有问题的程度，所以，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
此外，在本发明中，将利用沟分割的各面的纵向和横向的长度设定为使电极方向的振动成为主模式以及将利用沟分割的各面的纵向和横向的长度与厚度之比设定为全部小于0．8，由于可以将能够把厚度纵向振动与不需要的振动模式分离为在实用上没有问题的程度的厚度纵向振动作为主模式来利用，所以，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
另外，在本发明中，将设置在压电体上的沟取为多个，这样，可以获得频率和尺寸的选择幅度更宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
本发明的第3超声波流量计具有流道和测量该流道中的流体流量而配置的超声波收发器，上述超声波收发器具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面并使该收发波面面向上述流道的多个压电体，采用将设置在各压电体的收发波面和与上述收发波面相对的面上的各电极分别用导体连接的结构，由于具有多个分离的压电体，减少了不需要的振动模式的影响，所以，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
在本发明中，将各压电体的各面的纵向和横向的长度设定为使电极方向的振动成为主模式，使各压电体的收发波面的纵向和横向的长度与厚度之比全部小于0．8，由于可以将厚度纵向振动作为主模式来利用，所以，可以获得高灵敏度、高速响应性、频率和尺寸的选择幅度宽的小型的超声波收发器，从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
本发明的第4超声波流量计，采用在第1～第3发明的超声波流量计中将沿与电极垂直的方向极化的多个压电体层叠为极化方向相互相反从而可以将该层叠的压电体的上述电极方向的振动作为主模式的结构，由于可以减小超声波收发器的电阻抗，所以，可以获得抗噪音强的特性，从而可以获得更高精度的超声波流量计。
本发明的第5超声波流量计，采用在第1～第4发明的超声波流量计中该流道在指定的位置具有指定的宽度的间隙并被夹在相隔指定的宽度而配置的2块平行平板之间的结构，通过使流道的截面形状成为长方形，可以使在流道截面内的流速分布简单化，可以根据所得到的流速高精度地导出流量，从而可以获得更高精度的超声波流量计。
权利要求
1．一种超声波流量计，其特征在于具有流道和测量该流道中的流体流量而配置的超声波收发器，上述超声波收发器具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面并使该收发波面面向上述流道的压电体，上述压电体将该收发波面的纵向和横向的长度设定得使电极方向的振动成为主模式。
2．一种超声波流量计，其特征在于具有流道和测量该流道中的流体流量而配置的超声波收发器，上述超声波收发器具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面并使该收发波面面向上述流道的压电体，上述压电体将收发波面或与上述收发波面相对的面的至少一方利用沟进行分割并用导体将设置在所分割的面上的全部电极电气连接。
3．按权利要求2所述的超声波流量计，其特征在于上述沟以使电极方向的振动作为主模式的深度分割压电体。
4．按权利要求2或3所述的超声波流量计，其特征在于上述沟的深度相对于和收发波面垂直的方向的厚度，大于90％小于100％。
5．按权利要求2、3或4所述的超声波流量计，其特征在于将利用沟所分割的各个面的纵向和横向的长度设定得使电极方向的振动成为主模式。
6．按权利要求5所述的超声波流量计，其特征在于使利用沟所分割的各个面的纵向和横向的长度与厚度之比全部小于0．8。
7．按权利要求2～6的任一权利要求所述的超声波流量计，其特征在于上述沟设置多个。
8．一种超声波流量计，其特征在于具有流道和测量该流道中的流体流量而配置的超声波收发器，上述超声波收发器具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面并使该收发波面面向上述流道的多个压电体，将设置在各压电体的收发波面和与上述收发波面相对的面上的各电极分别用导体连接。
9．按权利要求8所述的超声波流量计，其特征在于将各压电体的各个面的纵向和横向的全部长度设定得使电极方向的振动成为主模式。
10．按权利要求9所述的超声波流量计，其特征在于使各压电体的收发波面的纵向和横向的长度与厚度之比全部小于0．8。
11．按权利要求1～10的任一权利要求所述的超声波流量计，其特征在于将沿与电极垂直的方向极化的多个压电体层叠为极化方向相互相反，使该层叠的压电体的上述电极方向的振动成为主模式。
12．按权利要求1～11的任一权利要求所述的超声波流量计，其特征在于在指定的位置具有指定的宽度的间隙，被相隔指定的宽度而配置的2块平行平板夹在中间的流道构成。
13．按权利要求1～12的任一权利要求所述的超声波流量计，其特征在于一对超声波收发器的收发波面配置在相对的位置。
14．按权利要求1～13的任一权利要求所述的超声波流量计，其特征在于与从超声波收发器发送的超声波的波长相比，导体使用十分薄的导体。
15．按权利要求1～14的任一权利要求所述的超声波流量计，其特征在于在超声波收发器的收发波面上具有声波匹配层。
16．按权利要求1～15的任一权利要求所述的超声波流量计，其特征在于在与超声波收发器的收发波面相对的面上具有背面负载材料。
17．一种超声波收发器，其特征在于具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面的压电体，使上述压电体的收发波面的纵向横向的长度与厚度之比都小于0．6。
18．一种超声波收发器，其特征在于具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面的压电体，上述压电体利用沟将收发波面或与上述收发波面相对的面中的至少一方分割，上述沟的深度相对于介于设置电极的面之间的厚度，大于90％小于100％，同时由上述沟所分割的面的全部电极用导体电气连接。
19．按权利要求18所述的超声波收发器，其特征在于上述沟设置多个。
20．按权利要求18、19所述的超声波收发器，其特征在于使利用沟所分割的各个面的纵向和横向的长度与厚度之比全部小于0．6。
21．一种超声波收发器，其特征在于具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面的多个压电体，使各压电体的收发波面的纵向和横向的长度与厚度之比全小于0．6，同时将上述收发波面的各电极和与上述收发波面相对的面的各电极分别用导体连接。
22．按权利要求17～21的任一权利要求所述的超声波收发器，其特征在于将沿与电极垂直的方向极化的多个压电体层叠为极化方向相互相反，使该层叠的压电体的上述电极方向的振动成为主模式。
23．按权利要求17～22的任一权利要求所述的超声波收发器，其特征在于与从超声波收发器发送的超声波的波长相比，导体使用十分薄的导体。
24．按权利要求17～23的任一权利要求所述的超声波收发器，其特征在于在超声波收发器的收发波面上具有声波匹配层。
25．按权利要求17～24的任一权利要求所述的超声波收发器，其特征在于在与超声波收发器的收发波面相对的面上具有背面负载材料。
全文摘要
本发明具有流道和测量该流道中的流体流量而配置的超声波收发器,上述超声波收发器具有在相对的面上设置电极同时将上述相对的一方的面作为收发波面并使该收发波面面向上述流道的压电体,上述压电体采用将该收发波面的纵向和横向的长度设定得使电极方向的振动成为主模式、最好是收发波面的纵向和横向的长度与厚度之比小于0.8的结构,由于将压电体的厚度纵向振动作为主模式来利用,所以,可以获得高灵敏度、高速响应性、小型的超声波收发器,从而可以获得高精度的小型的超声波流量计。
文档编号G01F1/66GK1204398SQ96199023
公开日1999年1月6日 申请日期1996年12月12日 优先权日1995年12月13日
发明者足立明久, 渡边淳志, 佐藤利春, 东奈绪子, 桥本雅彦 申请人:松下电器产业株式会社